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Définition et exemples des isomères nucléaires

Définition et exemples des isomères nucléaires



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Définition d'isomère nucléaire

Les isomères nucléaires sont des atomes avec le même nombre de masse et le même numéro atomique, mais avec des états d'excitation différents dans le noyau de l'atome. L'état plus élevé ou plus excité est appelé un état métastable, tandis que l'état stable et non excité est appelé l'état fondamental.

Comment ils travaillent

La plupart des gens sont conscients que les électrons peuvent modifier les niveaux d'énergie et se trouvent dans des états excités. Un processus analogue se produit dans le noyau de l'atome lorsque des protons ou des neutrons (les nucléons) sont excités. Le nucléon excité occupe une orbitale nucléaire à haute énergie. La plupart du temps, les nucléons excités reviennent immédiatement à l'état fondamental, mais si l'état excité a une demi-vie supérieure à 100 à 1000 fois celle des états excités normaux, il est considéré comme un état métastable. En d’autres termes, la demi-vie d’un état excité est généralement de l’ordre de 10-12 secondes, alors qu’un état métastable a une demi-vie de 10-9 secondes ou plus. Certaines sources définissent un état métastable comme ayant une demi-vie supérieure à 5 x 10-9 secondes pour éviter toute confusion avec la demi-vie de l’émission gamma. Alors que la plupart des états métastables se désintègrent rapidement, certains durent quelques minutes, heures, années ou bien plus longtemps.

le raison Les États métastables se forment parce qu’un changement de spin nucléaire plus important est nécessaire pour leur permettre de revenir à l’état fondamental. Un changement de spin élevé rend les désintégrations "transitions interdites" et les retarde. La demi-vie de désintégration est également affectée par la quantité d'énergie de désintégration disponible.

La plupart des isomères nucléaires reviennent à l'état fondamental via la désintégration gamma. Parfois, la désintégration gamma d'un état métastable est nommée transition isomérique, mais il s’agit essentiellement de la désintégration gamma normale de courte durée. En revanche, la plupart des états atomiques (électrons) excités retournent à l'état fondamental via la fluorescence.

Une autre façon dont les isomères métastables peuvent se désintégrer est par conversion interne. Dans la conversion interne, l'énergie libérée par la désintégration accélère un électron interne, lui permettant de sortir de l'atome avec une énergie et une vitesse considérables. Il existe d'autres modes de désintégration pour les isomères nucléaires hautement instables.

Notation d'état métastable et au sol

L'état fondamental est indiqué à l'aide du symbole g (lorsqu'une notation est utilisée). Les états excités sont désignés par les symboles m, n, o, etc. Le premier état métastable est indiqué par la lettre m. Si un isotope spécifique a plusieurs états métastables, les isomères sont désignés par m1, m2, m3, etc. La désignation est indiquée après le nombre de masse (par exemple, cobalt 58m ou 58m27Co, hafnium-178m2 ou 178m272Hf).

Le symbole sf peut être ajouté pour indiquer des isomères capables de fission spontanée. Ce symbole est utilisé dans la carte de Karlsruhe Nuclide.

Exemples d'état métastable

Otto Hahn découvrit le premier isomère nucléaire en 1921. Il s'agissait de Pa-234 m, qui se désintégrait en Pa-234.

L’état métastable le plus ancien est celui de 180m73 Ta. Cet état métastable de tantale n'a pas été observé de dégradation et semble durer au moins 10 mois.15 ans (plus long que l'âge de l'univers). Parce que l'état métastable perdure si longtemps, l'isomère nucléaire est essentiellement stable. Le tantale-180 m est présent dans la nature avec une abondance d'environ 1 pour 8300 atomes. On pense que l'isomère nucléaire a peut-être été fabriqué dans une supernovae.

Comment ils sont fabriqués

Les isomères nucléaires métastables se produisent lors de réactions nucléaires et peuvent être produits par fusion nucléaire. Ils se produisent à la fois naturellement et artificiellement.

Isomères de fission et isomères de forme

Un type spécifique d'isomère nucléaire est l'isomère de fission ou l'isomère de forme. Les isomères de fission sont indiqués en utilisant un "f" postscript ou en exposant au lieu de "m" (par exemple, plutonium 240f ou 240f94Pu). Le terme "isomère de forme" désigne la forme du noyau atomique. Alors que le noyau atomique a tendance à être décrit comme une sphère, certains noyaux, tels que ceux de la plupart des actinides, sont des sphères prolates (en forme de ballon de football). En raison des effets de la mécanique quantique, la désexcitation des états excités par rapport à l'état fondamental est entravée, de sorte que les états excités ont tendance à subir une fission spontanée ou à revenir à l'état fondamental avec une demi-vie de nanosecondes ou microsecondes. Les protons et les neutrons d'un isomère de forme peuvent être encore plus éloignés d'une distribution sphérique que les nucléons de l'état fondamental.

Utilisations des isomères nucléaires

Les isomères nucléaires peuvent être utilisés comme sources gamma pour les procédures médicales, les piles nucléaires, pour la recherche sur les émissions stimulées par les rayons gamma et pour les lasers à rayons gamma.